架空配電線路防災減災技術(shù)研究

林土方， 許家益， 沈　淼

(1.國網(wǎng)臺州供電公司， 浙江　臺州　317000；

2.國網(wǎng)黃山供電公司， 安徽　黃山　245000；

3.國網(wǎng)宣城供電公司， 安徽　宣城　242000)

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架空配電線路防災減災技術(shù)研究

林土方1， 許家益2， 沈淼3

(1.國網(wǎng)臺州供電公司， 浙江臺州317000；

2.國網(wǎng)黃山供電公司， 安徽黃山245000；

3.國網(wǎng)宣城供電公司， 安徽宣城242000)

摘要：架空配電線路受臺風、龍卷風、冰災等極端天氣災害影響，會發(fā)生導線斷線、桿塔彎曲甚至倒斷，引起線路跳閘停電，影響社會正常供電。搶修恢復受桿塔運輸、施工等核心要素制約，如何有效降低架空配電線路受災害的影響，縮小災害引發(fā)的停電范圍，減少停電時間，是社會關注的熱點。文章重點探討防范并減少架空配電線路受災的技術(shù)措施。

關鍵詞：架空線路；防災減災；技術(shù)研究

0前言

架空配電線路連接電網(wǎng)和客戶端，分布分散，隨著自然環(huán)境的變化，各種極端天氣頻繁出現(xiàn)，特別是超強臺風頻繁出現(xiàn)，對電網(wǎng)造成了巨大損失。在極端天氣下遭受臺風、龍卷風、冰災等災害影響，引起線路跳閘停電，甚至引發(fā)桿塔彎曲、倒斷，影響電網(wǎng)正常供電和社會正常用電。受傳統(tǒng)設計和桿塔材料影響，災害發(fā)生后，搶修恢復受桿塔運輸、施工等核心要素制約，往往難以及時奏效，恢復時間與社會期望有一定差距。提高架空配電線路防災減災能力，應該從被動的災后恢復向主動的災前防范轉(zhuǎn)變，從設計、選材等源頭上提高抵御災害的能力，減少受災的發(fā)生，提高架空配電線路安全運行水平，確保電網(wǎng)正常供電和社會正常用電。

1架空配電線路桿塔作用

架空配電線路桿塔用來支持橫坦、導線、絕緣子等部件，以便在各種氣象條件下，并使導線間、導線和接地體間、導線和大地、建構(gòu)筑物、各種交跨物間保證有足夠的安全距離。因此，桿塔必須要有足夠的機械強度和必要的適當高度。

2架空配電線路受災現(xiàn)狀

圖1　某地同桿架設10kV四回路遭超強臺風襲擊災后現(xiàn)場

圖2　某地同桿架設10kV四回路遭超強臺風襲擊災后現(xiàn)場

架空配電線路長期以來受臺風、龍卷風、冰災等災害影響，2004年至今，遭受近二十次強臺風和超強臺風以及龍卷風的嚴重影響，每次均造成大量桿塔倒斷，引發(fā)區(qū)域電網(wǎng)癱瘓停電，導致近萬條架空配電線路停電跳閘，損毀架空配電線路桿塔數(shù)以萬計，特別是2008年初的冰凍雨雪災害，造成大量斷桿，引起線路跳閘停電，導致多個省份區(qū)域電網(wǎng)癱瘓，嚴重影響電網(wǎng)正常供電和社會正常用電，停電時間最長超過一個月，災害之嚴重歷史罕見；同時由于災害發(fā)生地處于高山等特殊區(qū)域，局部道路運輸條件差，救援之困難前所未有。如：2004年超強臺風“云娜”登錄臺州，沿海風力50米/秒，局部達58.7米/秒，臺州電網(wǎng)負荷從99.7萬千瓦，銳減至54萬千瓦，僅臺州10kV配電線路倒斷桿4000根，斜桿18000根，損壞配電線路1200余公里；2006年超強臺風“桑美”登錄溫州，沿海風力60米/秒，僅溫州10kV配電線路倒斷桿、斜桿10000余根，損壞配電線路622余公里；2015年10月，臺風“彩虹”影響客戶280.3萬戶停電等等。2008年1月中旬至2月初，湖南電網(wǎng)遭受了特大型冰災，受冰災的影響，湖南電網(wǎng)500kV線路33條(含直流)中，有14條(其中2條為同塔雙回線路)倒塔182基，變形68基，導線斷線或受損159處，地線斷線或受損322處，絕緣子掉串284處；220kV線路246條中有44條倒塔633基，變形203基，導線斷線或受損241處，地線斷線或受損432處，絕緣子掉串36處；110kV線路758條中有121條倒塔1427基，變形421基，導線斷線或受損646處，地線斷線或受損1017處，絕緣子掉串30處；35kV線路130條倒塔1064基，變形1005基，導線斷線或受損1369處，地線斷線或受損296處，絕緣子掉串89處；10kV線路倒桿63036基，斷線47898處，損壞配變3380臺，低壓線路倒桿斷桿330450基，斷線367673處。12座500kV變電站中累計有6座發(fā)生了母線失壓停運；85座220kV變電站中有32座變電站發(fā)生了母線停運、30座發(fā)生全站停運；388座110kV變電站中有120座變電站發(fā)生了母線停運或全站停運；35kV變電站438座，累計有192座變電站發(fā)生了母線停運或全站停運[1]。冰災給湖南電網(wǎng)造成了巨大的損失，對全省人民的正常生產(chǎn)和生活造成了嚴重影響，還一度影響了京廣鐵路湖南段的正常運行。

圖3某地2008年遭受冰災斷桿畫面

圖4某地2008年遭受冰災斷桿現(xiàn)場搶修畫面場

3架空配電線路受災分析

3.1施災類型

3.1.1風災

主要是臺風、龍卷風作用引起，導致處在風口的配電線路桿塔(以下主要是指水泥桿、鐵塔、鋼管桿)彎曲、倒斷，引起線路跳閘停電。

3.1.2冰災

山區(qū)、高海拔地區(qū)受低溫雨雪冰凍天氣影響，導線結(jié)冰、水泥電桿強度下降，導致架空配電線路桿塔彎曲、倒斷，引起線路跳閘停電。

3.1.3強對流天氣災害

架空配電線路或設備遭受強對流天氣影響，出現(xiàn)局部雷擊，通常僅局限于線路跳閘停電，甚至可能出現(xiàn)斷線，特別嚴重時可能引起倒斷桿。

3.2受災原因及影響

3.2.1設計標準不高

設計標準本身不高。按照常規(guī)設計，風速大小、覆冰厚度、雷擊率等按照通?？紤]，沒有按照復雜氣象條件下選取，自然災害發(fā)生時災害強度已經(jīng)超過配電線路最大的設計能力。

風災或冰災發(fā)生時，可能會引起整條線路桿塔彎曲、倒斷，引起跳閘停電。災害受損面比較大，搶修比較復雜，恢復工程量相對較大，搶修恢復送電時間長、速度慢。如果再遇上道路運輸困難，大型運輸和施工機械不能到達，恢復的難度更大、時間更長。

強對流天氣發(fā)生雷擊時，可能會引起線路跳閘或斷線，一般不會出現(xiàn)倒斷桿，特別嚴重時可能會出現(xiàn)極少量倒斷桿，災害受損面比較小，搶修比較簡單，恢復相對比較容易。

3.2.2選用材料剛性強度大、抗屈服強度小

目前主要選用水泥桿、鐵塔、鋼管桿等材料作為架空配電線路桿塔的主材。上述材料的特點是剛性強，抗屈服強度小，受力受壓時，一般只有兩種情況，斷或不斷，主要根源是材料抗屈服強度小。一旦受力受壓超過屈服強度，損傷或折斷就難恢復。

風災或冰災發(fā)生時，可能會引起整條線路桿塔彎曲、倒斷，引起跳閘停電。

3.2.3材質(zhì)或施工等原因

設計標準和選用材料滿足災害強度要求，但由于材料本身質(zhì)量或施工過程中沒有達到設計要求，導致在災害發(fā)生時，出現(xiàn)桿塔彎曲、倒斷。

材質(zhì)原因，災害受損面比較大，搶修比較復雜，恢復工程量相對較大，搶修恢復慢。如果再遇上道路運輸困難，大型運輸和施工機械不能到達，恢復的難度更大。

施工原因，由于線桿埋深不足、基礎混凝土標號達不到設計要求、施工時局部螺栓沒有加固等某個點上達不到抵御災害強度時，從一個點甚至擴大到某個耐張段。災害受損面一般局限于某一耐張段或少數(shù)幾基桿塔，通常是局部問題。

3.2.4其他原因

除設計標準、材料質(zhì)量、施工工藝達不到設計要求，設計考慮因素不夠全面綜合等也可能引起桿塔彎曲、倒斷，引起跳閘停電。

3.4災后搶修

架空配電線路遭受風災、冰災等災害后，經(jīng)常出現(xiàn)大量的線路斷線和桿塔彎曲、倒斷。制約架空配電線路搶修速度的核心要素就是桿塔的運輸、組立，架線主要依賴桿塔的組立。水泥制品、鋼材的桿塔由于自身重量重、運輸困難大，施工組立依賴于大型施工機械而直接制約搶修恢復送電的進度。

4架空配電線路防災減災現(xiàn)狀及弊端

4.1設計的傳統(tǒng)觀念沒有改變

架空配電線路防災減災設計的傳統(tǒng)觀念就是提高設計標準，除此沒有更好的選擇。提高設計標準，直接提高了線路單位造價，是比較被動的傳統(tǒng)做法。同時災害的不確定性，給設計標準的確定帶來困難。

4.2選用材料的傳統(tǒng)觀念沒有改變

架空配電線路防災減災，除了選用水泥制品、鋼材的材料作為桿塔的主材外，別無選擇。水泥制品、鋼材的致命弱點就是柔性太差，使用中的桿塔，受力有一定的不確定性，特殊情況下瞬間受力可能會超過設計能力，但由于水泥制品、鋼材的抗疲勞性能較差，一旦出現(xiàn)損壞就難以恢復，就有可能引起桿塔彎曲、倒斷，引起線路跳閘停電。

4.3傳統(tǒng)的備品備件材料不利于運輸、施工

傳統(tǒng)的備品備件材料還是選用水泥制品、鋼材材質(zhì)的材料，由于這些材料重量重、運輸困難、施工難度大，往往在災后搶修時，難以很快體現(xiàn)搶修的效率，對于盡早恢復供電是一個很大的障礙。

5新型復合材料線桿

5.1新型復合材料線桿性能特點

新型復合材料線桿的特點主要有：一是重量輕，運輸方便，在施工前運輸時，可大幅度降低運輸成本和人力運輸用工，縮短運輸時間；二是施工快捷，不需要大型運輸施工機械配合；三是強度大，可設計大檔距，減少用桿數(shù)量；四是高恢復性，復合材料桿在強大外力作用下彎曲后，能很快地恢復原直桿；五是復合材料電桿由于它的本身絕緣性，可以抵消感應雷，大大減少雷擊災害引發(fā)的跳閘次數(shù)；六是復合材料電桿由于它不生銹、不腐蝕、不脫落，使用壽命長，機械性能不會因為長期風化、銹蝕而下降?？梢詼p少巡視和運維成本。

新型復合材料線桿遠高于普通鋼材的抗屈服強度。具有優(yōu)良的耐疲勞性能，該特性能很好抵御臺風、冰雪覆蓋、竹木倒伏等自然災害侵襲?？棺匀粸暮δ芰h遠超越混凝土桿和鐵塔。

5.2新型復合材料線桿與水泥電桿、鋼材桿塔性能比較

新型復合材料線桿與水泥電桿、鋼材桿塔性能比較見表1。

表1

樹脂基復合材料是復合材料中主要分支之一。通常以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維等為增強材料，以樹脂為基體，具有優(yōu)異的綜合性能。

與其他高技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展緊密結(jié)合，樹脂基復合材料的內(nèi)涵不斷拓展。已經(jīng)從普通的“玻璃鋼”發(fā)展成為性能優(yōu)異的高新材料之一。

表2

5.3新型復合材料線桿在國外應用

加拿大、美國使用復合材料電桿已經(jīng)有20多年歷史。隨著樹脂和纖維材料性能的改進和制造技術(shù)的進步，復合材料電桿重新受到世界各國輸電行業(yè)的重視。

復合材料桿塔由于其優(yōu)良的綜合性能已經(jīng)在歐美得到應用，其中研究開發(fā)和應用最為成熟的是美國。美國各大輸配電公司對復合材料桿表現(xiàn)出濃厚的興趣，各制造企業(yè)也積極研制開發(fā)出各種復合材料桿。美國的EbertComposites公司、PowertrusionComposites公司、Shakespear公司、NorthPacific公司和CTC公司等制品廠家都開發(fā)了自己的復合材料桿產(chǎn)品，并申請專利和得到了比較廣泛的應用[3]。并且美國已制定了相關的復合桿塔標準，美國土木工程師學會也已經(jīng)制定了輸電桿塔產(chǎn)品的設計標準[2]。

加拿大的 RS 公司研究開發(fā)了獨特設計的復合材料桿塔，采用的聚氨酯樹脂體系具有創(chuàng)新性，比常規(guī)不飽和聚酯樹脂加工的復合材料有更大的強度、耐沖擊力和較大比強度等優(yōu)勢[3]。具有重量輕和安裝方便的特點。

全世界約12.5億根電線桿。主要用于電力傳輸，通訊和鐵路。其中亞洲有5.38億根，中國2.5億根，印度1.6億根。

5.4新型復合材料線桿在國內(nèi)試點應用

5.4.1南方電網(wǎng)應用

南方電網(wǎng)的廣東電網(wǎng)公司于2007年針對復合桿塔的應用研究進行了立項，項目選用了加拿大RS公司的復合桿塔，其力學真型試驗在中國電力科學研究院進行[3]。

近些年來復合材料電桿是南方電網(wǎng)抵御臺風自然災害、快速搶修恢復送電的有效電桿材料。2014年超強臺風“威馬遜”在南網(wǎng)海南島、廣東湛江登陸省區(qū)造成了巨大損失，復合材料電桿供不應求。

南網(wǎng)僅于2015年3月，7月，9月共招標5批次，其中包括備品儲備，原有線路加固及新線路使用，共計本年度至9月為止招標使用復合材料電桿超過1000多根。

5.4.2廣東地區(qū)應用設計案例

廣東地區(qū)2010年之前配網(wǎng)線路設計規(guī)范均按10kV及以下線路氣象條件10年一遇25m/s(驗算條件35m/s)設計。根據(jù)近幾年當?shù)貧庀蟛块T相關資料，沿海地區(qū)新建配電線路氣象條件應該取30年一遇，最大設計風速不應低于35m/s(驗算條件40m/s) 。

設計舉列：

桿高15m，水平檔距100m。導線型號LGJ-240/30。

在風速為5m/s時，載荷為3.09kNm。

在風速為30m/s時，載荷為86.21kNm。

在風速為45m/s時，載荷為182.72kNm。

在風速為50m/s時，載荷為225.58kNm。

在風速為60m/s時，載荷為324.84kNm。

10kV用金屬桿及復合材料桿在不同風速下的等效應力分布，從計算和分析可知，風速為60m/S時，金屬桿的最大應力342MPa，即使采用Q345鋼也超過屈服強度，造成永久變形。而復合材料桿的最大應力只有440.70MPa，距離破壞還有較大的強度余量。

5.4.3廣東湛江試點應用實例

湛江地區(qū)運行中的10kV聚氨酯材料電桿線路5條，涉及線路長度7.25千米，聚氨酯復合材料電桿117 根，線路設計風速為40米/秒，分布在坡頭、霞山、吳川、雷州和徐聞五個地區(qū)。2013年安裝投產(chǎn)，在今年臺風“彩虹”襲擊廣東湛江時，經(jīng)受住了考驗，沒有出現(xiàn)斷桿。

5.5國網(wǎng)推廣應用狀況

國家電網(wǎng)基建部2009年召開會議部署復合材料電桿的研發(fā)和實驗應用。國家電網(wǎng)公司基建部(基建設計【2011】120號文)頒發(fā)了《國家電網(wǎng)公司輸電桿塔用纖維增強復合材料技術(shù)條件(試行)》、《國家電網(wǎng)公司10kV～220kV復合材料桿塔設計要求(試 行)》，這個兩個文件是指導復合材料電桿設計、實驗、使用的基本標準。

由國網(wǎng)武漢南瑞、遼寧公司、國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院和四川省電力科學研究院共同承擔的國家電網(wǎng)公司科技項目“復合材料桿塔輸電技術(shù)研究”在遼寧沈陽通過驗收。目前項目已在江蘇、四川、遼寧、河北、廣東推廣應用。國內(nèi)220kV復合材料桿塔在不同氣象和地理條件下試點應用已經(jīng)早期開展，并取得一定成果。

國家電網(wǎng)公司文件國家電網(wǎng)科【2014】847號《國家電網(wǎng)公司關于發(fā)布(國家電網(wǎng)公司重點推廣新技術(shù)目錄(2014版)的通知，目錄中將復合材料電桿的應用作為其中一章節(jié)。

國家電網(wǎng)公司部分省電力公司已開始應用復合材料電桿作為搶修備用電桿。

6防災減災技術(shù)措施

架空配電線路桿塔在達到一定的受力后彎曲、倒斷，是架空配電線路的致命傷，只有減少線路桿塔彎曲、倒、斷的數(shù)量，甚至不發(fā)生線路桿塔彎曲、倒、斷，才是有效的防災減災措施。因此有效克服水泥制品、鋼材線桿的脆性，是減少架空配電線路桿塔彎曲、倒斷，減少線路跳閘停電的主要途徑。

6.1目標

架空配電線路防災減災的目標就是改變從災后被動恢復，轉(zhuǎn)為災前防范，從源頭上消除或降低災害發(fā)生的可能性，減少損失。

6.2需要解決的問題

主要是發(fā)揮傳統(tǒng)桿塔材質(zhì)的剛性，增強線桿材質(zhì)的柔性，提高架空配電線路桿塔瞬時受力受壓的抗疲勞強度。

6.3防災減災的建議

6.3.1科學防災

首先是加強災害的預測和預防，提高抵御災害的能力。根據(jù)氣象等部門的預測和研判，合理確定設計標準和防災等級。結(jié)合環(huán)境特點，提高局部設計標準，提升防御災害的能力。其次，選用先進的新型材料，增加線桿的柔性和撓度，降低線桿的彎曲和折斷，減少跳閘停電。第三，局部區(qū)域縮小線路檔距，增加耐張段，減少耐張段距離，降低災害發(fā)生時的受損面。

6.3.2合理避災

配電線路在勘測設計時，應綜合考慮防災減災，選擇路徑時應避開風口、容易遭受風災的區(qū)域和容易遭受冰災的高山、小氣候環(huán)境，從源頭上減少受災的可能性。

6.3.3科學選用線桿材質(zhì)

充分利用水泥制品、鋼材的強度優(yōu)勢，結(jié)合新型復合材料線桿的柔性特點，在線路桿塔設計時，要綜合水泥制品、鋼材和新型復合材料線桿的特點，采取水泥制品、鋼材和新型復合材料線桿在同一耐張段中相互混搭的形式，中間相互穿插使用，在不降低線桿強度的同時，改善線桿的柔性，提高防災減災能力。在耐張、終端等受力桿位，首先選用新型復合材料線桿，提高抵御災害的能力。備品備件選用時，應首選新型復合材料線桿。

7結(jié)論

提高架空配電線路防災減災能力，應該從災后恢復向災前防范轉(zhuǎn)變，在設計、選材時充分利用水泥制品、鋼材的強度優(yōu)勢，結(jié)合新型復合材料線桿的抗屈服強度大特點，在不降低架空配電線路桿塔機械強度的同時，改善線桿的抗屈服強度，提高防災減災能力，減少受災的發(fā)生，提高架空配電線路安全運行水平，確保電網(wǎng)正常供電和社會正常用電。

參考文獻：

[1] 陸佳政，蔣正龍，雷紅才，等.湖南電網(wǎng)2008年冰災事故分析[J].電力系統(tǒng)自動化, 2008, 32(11):16-19.

[2] 張雄軍.復合材料桿塔的研制應用與展望[J].玻璃鋼/復合材料, 2012(S1):301-306.

[3] 胡良全，陳新.電力行業(yè)用復合材料的發(fā)展[J].玻璃鋼/復合材料, 2012(3):91-93.

[責任編輯：朱子]

Technology of Disaster Prevention and Reduction of Overhead Power Lines

LINTu-fang1,XUJia-yi2,SHENMiao3

(1.StateGridTaizhouPowerSupplyCompany,Taizhou317000,China;2.StateGridHuangshanPowerSupplyCompany,Huangshan245000,China;3.StateGridXuanchengPowerSupplyCompany,Xuancheng242000,China)

Abstract:Overhead power lines affected by extreme weather disasters like typhoon, tornado and ice storm may have wire break, tower bend or even fall off, causing power line trip, affecting the normal power supply. Power recovery is influenced by the tower transportation, construction and other core elements, how to effectively reduce the influence of disasters on overhead distribution lines, narrow the scope of the power outage caused by disasters and reduce the outage time is the focus of social attention. This paper mainly discusses the technical measures to prevent and reduce the damage for the overhead distribution lines.

Key words:overhead power line; disaster prevention and reduction; technology research

中圖分類號：TM752+.5

文獻標識碼：A

文章編號：1672-9706(2016)01- 0049- 07

作者簡介：林土方(1966-)，男，高級工程師，注冊發(fā)輸變電工程師、注冊供配電工程師，長期從事配網(wǎng)技術(shù)研究。許家益(1971-)，男，研究生，高級工程師，配電工區(qū)主任。

收稿日期：2015-11-17

沈淼(1980-)，男，研究生，高級工程師，配電工區(qū)主任。